(Luận văn thạc sĩ) đánh giá ảnh hưởng của CSI và SIC không lý tưởng lên hiệu năng mạng hợp tác hai chiều

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN VƯƠNG LINH ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CSI VÀ SIC KHÔNG LÝ TƯỞNG LÊN HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC HAI CHIỀU NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 8520203 S K C0 8 Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN VƯƠNG LINH ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CSI VÀ SIC KHÔNG LÝ TƯỞNG LÊN HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC HAI CHIỀU NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 8520203 Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN VƯƠNG LINH ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CSI VÀ SIC KHÔNG LÝ TƯỞNG LÊN HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC HAI CHIỀU NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ - 8520203 Hướng dẫn khoa học: TS PHẠM NGỌC SƠN Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i 0.6, α2 = 0.4 khoảng cách d1 > d2 , nên công suất phát nút nguồn X1 lớn công suất phát nút X2 Kết mô tính từ cơng thức (3.64) (3.70) Trong hình này, đường biểu diễn kết phân tích xác suất dừng theo công thức (3.69) (3.80) trùng với kết mơ phỏng, chứng tỏ tính dắn lí thuyết phân tích cơng thức tốn học Nhìn vào hình 4.9 học viên thấy giá trị xác suất dừng X1 X2 giảm SNR(dB) tăng Theo công thức (3.25), (3.26), (3.27) (3.28), SNR(dB) tăng tốc độ truyền tín hiệu giảm, theo cơng thức (3.64) tốc độ truyền giảm xác suất dừng POut giảm Do vậy, SNR(dB) tăng xác suất dừng hai nguồn X1 X2 giảm Hơn nữa, đường biểu diễn xác suất dừng X1 nằm X2 nguồn X2 chịu can nhiễu α1 γg11 + γ(1 − ρ2 )(α1 λ1 + α2 λ2 ) + ρ2 từ nguồn α2 γg12 α1 γg11 +γ(1−ρ2 )(α1 λ1 +α2 λ2 )+ρ2 X1 theo công thức (3.61) SINR X2R_s2 = , nguồn X1 chịu can nhiễu (γ(1 − ρ2 )λ1 + ρ2) theo công thức (3.23) SINR RX1_s = γg21 γ(1−ρ2 )λ1 +ρ2 , điều chứng tỏ khả giải mã thành công nguồn X1 tốt X2 Hình 4.10: Xác suất dừng hệ thống thay đổi 𝛒 42 Hình 4.10 biểu diễn xác suất dừng hệ thống nút nguồn X1, X2 giải mã tín hiệu s2 , s1 với thơng số hình 4.9, thay đổi hệ số tương quan ρ = 0.9, 0.7, 0.3 ước tính kênh cơng thức (3.5) Qua hình 4.10, học viên nhận thấy xác suất dừng hệ thống giảm hệ số tương quan ước tính kênh cao, hệ số kênh truyền ước tính gần với hệ số kênh truyền lý tưởng hệ số ρ tăng Xác suất dừng hệ thống giảm, hệ thống giải mã tốt Hình 4.11: Xác suất dừng hệ thống với Rth Hình 4.12 biểu diễn xác suất dừng X1 X2 theo giá trị tốc độ ngưỡng R th= [0.05 1], với thông số hệ thống tỉ số tín hiệu nhiễu SNR(dB) = Hệ số suy hao kênh truyền β = Giả sử tọa độ R (xR , yR ) = (0.7,0), tọa độ X1, X2 (xX1 , yX1 ) = (0,0); (xX2 , yX2 ) = (1,0) nên ta có d1 = √xR + yR = 0.7, d2 = √(1 − xR )2 + yR = 0.3 Hệ số tương quan ρ = 0.9 dự đoán kênh truyền CSI, hệ số ε = triệt can nhiễu SIC lý tưởng ε = triệt can nhiễu SIC không lý tưởng Giả định hệ số công suất α1 = 43 0.6, α2 = 0.4 khoảng cách d1 > d2 , nên cơng suất phát nút nguồn X1 lớn công suất phát nút X2 Dựa theo kết hình 4.11, xác suất dừng hệ thống nút X1 nhỏ xác suất dừng hệ thống nút X2, điều có nghĩa khả giải mã tín hiệu nút X1 tốt nút X2, nhiễu Bên cạnh đó, giá trị R th lớn, xác suất dừng hệ thống tiến giá trị 1, khả giải mã tín hiệu hệ thống thấp, khơng tốt Ngoài ra, xác suất dừng nút X2 giải mã s1 trường hợp ε = (triệt can nhiễu hồn hảo) có giá trị nhỏ xác suất dừng nút X2 giải mã s1 trường hợp ε = (triệt can nhiễu khơng hồn hảo), điều chứng tỏ trường hợp triệt can nhiễu lý tưởng, hệ thống giải mã tốt 4.2.2.2 Kết mô xác suất dừng hệ thống 𝛆 = 𝟏 Hình 4.12: Xác suất dừng hệ thống 44 Hình 4.12 biểu diễn xác suất dừng X1 X2 theo giá trị tỉ số tín hiệu nhiễu SNR(dB) [0 25] Lấy tốc độ ngưỡng R th= 0.7 Hệ số suy hao kênh truyền β = Giả sử tọa độ R (xR , yR ) = (0.7, 0), tọa độ X1, X2 (xX1 , yX1 ) = (0,0); (xX2 , yX2 ) = (1,0) nên ta có d1 = √xR + yR = 0.7, d2 = √(1 − xR )2 + yR = 0.3 Hệ số tương quan ρ = 0.9 dự đoán kênh truyền CSI hệ số ε = triệt can nhiễu khơng hồn hảo Giả sử hệ số cơng suất α1 = 0.6, α2 = 0.4 khoảng cách d1 > d2 , nên công suất phát nút nguồn X1 lớn công suất phát nút X2 Kết mơ tính từ cơng thức (3.64) (3.70) Trong hình này, đường biểu diễn kết phân tích xác suất dừng theo cơng thức (3.69) (3.81) trùng với kết mơ phỏng, chứng tỏ tính dắn lí thuyết phân tích cơng thức tốn học Nhìn vào hình 4.12 học viên nhận thấy giá trị xác suất dừng X1 X2 giảm SNR(dB) tăng Theo công thức (3.25), (3.26), (3.27) (3.28), SNR(dB) tăng tốc độ truyền tín hiệu giảm, theo cơng thức (3.64) tốc độ truyền tải giảm xác suất dừng POut giảm Do vậy, SNR(dB) tăng xác suất dừng hai nguồn X1 X2 giảm Hơn nữa, đường biểu diễn xác suất dừng X1 nằm X2 nguồn X2 chịu can nhiễu α1 γg11 + γ(1 − ρ2 )(α1 λ1 + α2 λ2 ) + ρ2 từ nguồn α2 γg12 α1 γg11 +γ(1−ρ2 )(α1 λ1 +α2 λ2 )+ρ2 X1 theo công thức (3.61) SINR X2R_s2 = can nhiễu εγg iSIC ρ2 + γ(1 − ρ2 )(α1 λ1 + α2 λ2 ) + ρ2 theo công thức (3.63) SINR X1R_s1 = εγgiSIC α1 γg11 ρ +γ(1−ρ2 )(α λ1 +α2 λ2 )+ρ nguồn X1 chịu can nhiễu (γ(1 − ρ2 )λ1 + ρ2) theo công thức (3.23) SINR RX1_s = γg21 γ(1−ρ2 )λ1 +ρ2 điều chứng tỏ khả giải mã thành công nguồn X1 tốt X2 45 , Hình 4.13: Xác suất dừng hệ thống thay đổi theo 𝛒 Hình 4.13 biểu diễn xác suất dừng hệ thống nút nguồn X1, X2 giải mã tín hiệu s2 , s1 với thơng số hình 4.13, thay đổi hệ số tương quan ρ = 0.9, 0.7, 0.3 ước tính kênh cơng thức (3.5) Qua hình 4.13, học viên nhận thấy xác suất dừng hệ thống giảm hệ số tương quan ước tính kênh cao, hệ số kênh truyền ước tính gần với hệ số kênh truyền lý tưởng hệ số ρ tăng Xác suất dừng hệ thống giảm, hệ thống giải mã tốt Khả giải mã nút X1 tốt nút X2 4.2.3 Kết mô xác suất dừng hệ thống theo xR 4.2.3.1 Kết mô xác suất dừng hệ thống 𝛆 = 𝟎 46 Hình 4.14: Xác suất dừng hệ thống theo xR 𝛆 = 𝟎 Hình 4.14 biểu diễn xác suất dừng hệ thống X1 X2 thay đổi theo giá trị tọa độ R (xR , yR ) = ([0.05 0.95],0), với thông số hệ thống gồm tốc độ ngưỡng R th= 0.5, tỉ số tín hiệu nhiễu SNR(dB) = Hệ số suy hao kênh truyền β = Giả sử tọa độ X1, X2 (xX1 , yX1 ) = (0,0); (xX2 , yX2 ) = (1,0) nên ta có d1 = √xR + yR , d2 = √(1 − xR )2 + yR Hệ số tương quan ρ = 0.9 dự đoán kênh truyền CSI, hệ số ε = triệt can nhiễu SIC lý tưởng Với hệ số công suất α1 = 0.4, α2 = 0.6 khoảng cách d1 < d2 hệ số công suất α1 = 0.6, α2 = 0.4 khoảng cách d1 > d2 Dựa theo kết hình 4.14, xác suất dừng hệ thống nút X2 nhỏ xác suất dừng hệ thống nút X1 giá trị xR < 0.5, xác suất dừng hệ thống nút X1 nhỏ xác suất dừng hệ thống nút X2 giá trị xR > 0.5 Điều chứng minh khả giải mã tín hiệu nút X2 tốt nút X1 giá trị xR < 0.5, nhiễu X2 khả giải mã tín hiệu nút X1 tốt nút X2 giá trị xR > 0.5, nhiễu X1 47 4.2.3.2 Kết mơ xác suất dừng hệ thống 𝛆 = 𝟏 Hình 4.15: Xác suất dừng hệ thống theo xR giá trị 𝛆 = 𝟏 Hình 4.15 biểu diễn xác suất dừng hệ thống X1 X2 thay đổi theo giá trị tọa độ R (xR , yR ) = ([0.05 0.95],0), với thông số hệ thống gồm tốc độ ngưỡng R th= 0.5, tỉ số tín hiệu nhiễu SNR(dB) = Hệ số suy hao kênh truyền β = Giả sử tọa độ X1, X2 (xX1 , yX1 ) = (0,0); (xX2 , yX2 ) = (1,0) nên ta có d1 = √xR + yR , d2 = √(1 − xR )2 + yR Hệ số tương quan ρ = 0.9 dự đoán kênh truyền CSI, hệ số ε = triệt can nhiễu SIC không lý tưởng Với hệ số công suất α1 = 0.4, α2 = 0.6 khoảng cách d1 < d2 hệ số công suất α1 = 0.6, α2 = 0.4 khoảng cách d1 > d2 Dựa theo kết hình 4.15, xác suất dừng hệ thống nút X2 nhỏ xác suất dừng hệ thống nút X1 giá trị xR < 0.5, xác suất dừng hệ thống nút X1 nhỏ xác suất dừng hệ thống nút X2 giá trị xR > 0.5 Điều chứng minh khả 48 giải mã tín hiệu nút X2 tốt nút X1 giá trị xR < 0.5, nhiễu X2 khả giải mã tín hiệu nút X1 tốt nút X2 giá trị xR > 0.5, nhiễu X1 Hình 4.16: Xác suất dừng hệ thống theo giá trị xR Hình 4.16 biểu diễn xác suất dừng hệ thống X1 X2 thay đổi theo giá trị tọa độ R (xR , yR ) = ([0.05 0.95],0), với thông số hệ thống gồm tốc độ ngưỡng R th= 0.5, tỉ số tín hiệu nhiễu SNR(dB) = Hệ số suy hao kênh truyền β = Giả sử tọa độ X1, X2 (xX1 , yX1 ) = (0,0); (xX2 , yX2 ) = (1,0) nên ta có d1 = √xR + yR , d2 = √(1 − xR )2 + yR Hệ số tương quan ρ = 0.9 dự đoán kênh truyền CSI, hệ số ε = triệt can nhiễu SIC lý tưởng hệ số ε = triệt can nhiễu SIC không lý tưởng Với hệ số công suất α1 = 0.4, α2 = 0.6 khoảng cách d1 < d2 hệ số công suất α1 = 0.6, α2 = 0.4 khoảng cách d1 > d2 Dựa theo kết hình 4.16, xác suất dừng hệ thống 49 nút X2 nhỏ xác suất dừng hệ thống nút X1 giá trị xR < 0.5, xác suất dừng hệ thống nút X1 nhỏ xác suất dừng hệ thống nút X2 giá trị xR > 0.5 Điều chứng minh khả giải mã tín hiệu nút X2 tốt nút X1 giá trị xR < 0.5, nhiễu X2 khả giải mã tín hiệu nút X1 tốt nút X2 giá trị xR > 0.5, nhiễu X1 Bên cạnh đó, giá trị xác suất dừng X1 d1 < d2 X2 d1 > d2 trường hợp hệ số ε = (triệt can nhiễu SIC lý tưởng) thấp giá trị xác suất dừng X1 d1 < d2 X2 d1 > d2 trường hợp hệ số ε = (triệt can nhiễu SIC không lý tưởng), điều chứng tỏ hệ thống giải mã tốt trường hợp triệt can nhiễu SIC lý tưởng 50 CHƯƠNG KẾT LUẬN ĐỀ TÀI 5.1 Kết luận Trong luận văn này, học viên nghiên cứu đề tài đánh giá hiệu hệ thống hệ thống truyền hợp tác hai chiều thông qua nút chuyển tiếp ảnh hưởng trạng thái kênh thông tin (CSI) không lý tưởng sử dụng phương pháp triệt can nhiễu (SIC) không lý tưởng NOMA Mô hình đánh giá hiệu năng, chất lượng hệ thống dựa yếu tố xác suất dừng hệ thống Đề tài giúp đánh giá cách thực tế hiệu mạng truyền hai chiều, ứng dụng mạng riêng, mạng cảm biến mạng không đồng có xem xét ảnh hưởng các lỗi lỗi dự đốn kênh truyền, lỗi triệt can nhiễu khơng lý tưởng Đề tài hoàn thành giúp đánh giá xác chất lượng hệ thống Dựa theo kết mơ lấy được, mơ hình hệ thống hoạt động ổn định thay đổi hệ số tương quan ρ = {0.3, 0.7, 0.9} ước tính kênh truyền hệ số ε = {0, 1} triệt can nhiễu tuần tự, bên cạnh đó, học viên đánh giá hiệu hệ thống thay đổi thông số tốc độ truyền ngưỡng R th, tọa độ nút chuyển tiếp R 5.2 Ưu điểm đề tài Mơ hình hệ thống có kết hợp ảnh hưởng các lỗi lỗi dự đốn kênh truyền, lỗi triệt can nhiễu khơng lý tưởng Đề tài hoàn thành giúp đánh giá chất lượng hệ thống xác 5.3 Hạn chế đề tài Mơ hình hệ thống đề xuất đề tài này, học viên dừng phạm vi mơ hình mạng hai chiều bao gồm hai nút nguồn truyền tín hiệu với thơng qua nút chuyển tiếp Việc đánh giá mơ hình dừng yếu tố xác suất dừng hệ thống 51 5.4 Hướng phát triển Có thể nghiên cứu để phát triển đề tài: Khi tăng số nút chuyển tiếp (relay) Tăng số nút nguồn Kết hợp thêm ảnh hưởng suy hao phần cứng Kết hợp thêm ảnh hưởng nút máy thu PR mạng sơ cấp Việc đánh giá hệ thống BER (Bit Error Rate) hệ thống để hệ thống xác hơn… 52 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Dai, Linglong, et al, “Non-orthogonal multiple access for 5G: solutions, challenges, opportunities, and future research trends”, IEEE Communications Magazine 53.9: 74-81, 2015 [2] Pham Ngoc Son, “Joint impacts of hardware impairments, imperfect CSIs, and interference contraints on underlay cooperative cognitive networks with reactive relay selection”, Telecommunication Systems, 71(1), 65-76, 2019 [3] W Sun, K Xu and Y Xu, “ Performance analysis of mutilpair two-way amplify-and-forward relay with imperfect CSI over Ricean fading channels”, IET Communications, 12(3), 261-270, 2018 [4] A Hyadi, M Benjillali, and M S Alouini, “ Outage performance of decode- and-forward in two-way relaying with outdated CSI”, IEEE Trans Veh Technol, vol 64, no 12, pp 5940-5947, Dec 2015 [5] Khuong Ho-Van, “ Outage analysis in cooperative cognitive networks with opportunistic relay selection under imperfect channel information”, AEUInternational Journal of Electronics and Communications, 69(11), 1700-1708, 2015 [6] W Jaafar, T Ohtsuki, W Ajib and D Haccoun, “ Impact of the CSI on the performance of cognitive relay networks with partial relay selection”, IEEE Transactions on Vehicular Technology, 65(2), 673-684, 2016 [7] Jinjin Men, Jianhua Ge, and Chensi Zhang, “ Performance analysis for downlink relaying aided non-orthogonal multiple access networks with imperfect CSI over Nakagami-m fading”, IEEE Access, to appear in 2016 [8] X Yue, Y Liu, S Kang, A Nallanathan, and Y Chen, “ Outage performance of two-way relay non-orthogonal multiple access systems”, in Proc, IEEE International Commun Conf, (ICC), Kansas, USA, May, 2018 [9] Pham Ngoc Son, and Tran Trung Duy, "A new approach for two-way relaying networks: improving performance by successive interference cancellation, digital 53 network coding and opportunistic relay selection", Wireless Netw, vol 26, no 2, pp 1315-1329, February 2020 [10] X Yue, Y Liu, S Kang, A Nallanathan, and Z Ding, “Outage performance of full/half-duplex user relaying in NOMA systerms”, in Proc, IEEE International Commun, Conf, (ICC), Paris, France, May, 2017 [11] Y Liu, Z Qin, M Elkashlan, Y Gao, and L Hanzo, “Enhancing the physical layer security of non_orthogonal multiple access in large-scale networks”, IEEE Trans Wireless Commun, vol 16, no 3, pp 1656-1672, Mar 2017 [12] Nosratinia, Aria, Todd E Hunter, and Ahmadreza Hedayat “Cooperative communication in wireless networks”, IEEE communications Magazine 42.10 (2004): 74-80 [13] S Sagong, J Lee, and D Hong, “Capacity of reactive DF scheme in cognitive relay networks”, IEEE Trans.Wirel.Commun, vol.10, no.10, pp.3133-3138, 2011 [14] Jing, Yindi, and Babak Hassibi “Distributed space-time coding in wireless relay networks”, IEEE Transactions on Wireless communications 12, 2006 [15] Thanh, T., et al, “Outage performance with selection decode and forward in cognitive radio with imperfect csi”, Proc of ICGHIT2014 2014 [16] Duy Tran Trung, and Hyung Yun Kong “On performance evaluation of hybrid decode-amplify-forward relaying protocol with partial relay selection in underlay cognitive networks”, Journal of Communications and Networks 16 5, pp 502-511, 2014 [17] Zhao, Yi, Raviraj Adve, and Teng Joon Lim, “Improving amplify-and-forward relay networks: optimal power allocation versus selection”, Information Theory, 2006 IEEE International Symposium on IEEE, 2006 [18] Patel, Chirag S., Gordon L Stuber, and Thomas G Pratt, “Statistical properties of amplify and forward relay fading channels”, IEEE Transactions on Vehicular Technology 55.1 (2006): 1-9 [19] Popovski, Petar, and Hiroyuki Yomo “Physical network coding in two-way wireless relay channels”, IEEE International Conference on IEEE, 2007 54 [20] Larsson, Peter, Niklas Johansson, and K-E Sunell “Coded bi-directional relaying”, Vehicular Technology Conference, 2006 VTC 2006-Spring IEEE 63rd Vol IEEE, 2006 [21] Popovski, Petar, and Hiroyuki Yomo “Bi-directional amplification of throughput in a wireless multi-hop network”, Vehicular Technology Conference, 2006 VTC 2006-Spring IEEE 63rd Vol IEEE, 2006 [22] Gupta, Akhil, and Rakesh Kumar Jha, “A survey of 5G network: Architecture and emerging technologies”, IEEE access 3, pp 1206-1232, 2015 [23] Y Saito, A Benjebbour, Y Kishiyama, T Nakamura, “System level performance evaluation of downlink non-orthogonal multiple access (NOMA)”, Proc IEEE Annu Symp PIMRC, pp 611-615, Sep 2013 [24] S H Lee, B C Jung and S W Jeon, “ Successive Interference Cancellation With Feedback for Random Access Networks”, IEEE Communications Letters., vol 21, no 4, pp 825 - 828, 2017 [25] L Pei, T Zhieng, L Zinan, E Erkip and S Panwar, “ Cooperative wireless communications: A cross-layer approach”, Wireless Communications, 13(4), pp 8492, 2006 [26] T Q Wang, H Li and X Huang, “Diversity Combining for Layered Asymmetrically Clipped Optical OFDM Using Soft Successive Interference Cancellation”, IEEE Communications Letters, vol 99, no PP, 2017 55 S K L 0 ...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN VƯƠNG LINH ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CSI VÀ SIC KHÔNG LÝ TƯỞNG LÊN HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC HAI CHIỀU... BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN VƯƠNG LINH ĐÁNH GIÁ ẢNH HƯỞNG CỦA CSI VÀ SIC KHÔNG LÝ TƯỞNG LÊN HIỆU NĂNG MẠNG HỢP TÁC HAI CHIỀU... định lựa chọn nghiên cứu kết hợp ảnh hưởng CSI SIC lên hệ thống với tên “ Đánh giá ảnh hưởng CSI SIC không lý tưởng lên hiệu mạng hợp tác hai chiều ” để trình bày luận văn 1.2 Mục tiêu Trong đề